RU2674899C1 - Способ повышения эффективности фрикционных систем - Google Patents
Способ повышения эффективности фрикционных систем Download PDFInfo
- Publication number
- RU2674899C1 RU2674899C1 RU2016128401A RU2016128401A RU2674899C1 RU 2674899 C1 RU2674899 C1 RU 2674899C1 RU 2016128401 A RU2016128401 A RU 2016128401A RU 2016128401 A RU2016128401 A RU 2016128401A RU 2674899 C1 RU2674899 C1 RU 2674899C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- friction
- systems
- contact
- frictional
- lubricant
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 41
- 230000008569 process Effects 0.000 claims abstract description 17
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims abstract description 12
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 11
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 10
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 10
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 claims abstract description 6
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 4
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims abstract description 3
- 230000001629 suppression Effects 0.000 claims abstract description 3
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 claims abstract description 3
- 230000003137 locomotive effect Effects 0.000 claims description 7
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 230000009467 reduction Effects 0.000 abstract description 5
- 235000019592 roughness Nutrition 0.000 abstract description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000000314 lubricant Substances 0.000 description 33
- 238000005096 rolling process Methods 0.000 description 14
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 13
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 13
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 12
- 230000008859 change Effects 0.000 description 7
- 238000005461 lubrication Methods 0.000 description 7
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 6
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 description 5
- 230000001050 lubricating effect Effects 0.000 description 5
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 4
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 4
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 4
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 4
- 239000003607 modifier Substances 0.000 description 4
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 4
- 230000009471 action Effects 0.000 description 3
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 3
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 3
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 3
- 235000003642 hunger Nutrition 0.000 description 3
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 3
- 239000003921 oil Substances 0.000 description 3
- 230000037351 starvation Effects 0.000 description 3
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 3
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 3
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 2
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 2
- 239000004519 grease Substances 0.000 description 2
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 2
- 239000010687 lubricating oil Substances 0.000 description 2
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 2
- 239000004576 sand Substances 0.000 description 2
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 2
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 2
- 239000006004 Quartz sand Substances 0.000 description 1
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 1
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002199 base oil Substances 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000003745 diagnosis Methods 0.000 description 1
- 238000004090 dissolution Methods 0.000 description 1
- 230000005489 elastic deformation Effects 0.000 description 1
- 230000008030 elimination Effects 0.000 description 1
- 238000003379 elimination reaction Methods 0.000 description 1
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 238000013178 mathematical model Methods 0.000 description 1
- 238000011089 mechanical engineering Methods 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 238000005555 metalworking Methods 0.000 description 1
- 238000003032 molecular docking Methods 0.000 description 1
- 239000002103 nanocoating Substances 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 1
- 238000007747 plating Methods 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 1
- 230000000087 stabilizing effect Effects 0.000 description 1
- 230000003685 thermal hair damage Effects 0.000 description 1
- 230000007306 turnover Effects 0.000 description 1
- 239000013598 vector Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B61—RAILWAYS
- B61C—LOCOMOTIVES; MOTOR RAILCARS
- B61C15/00—Maintaining or augmenting the starting or braking power by auxiliary devices and measures; Preventing wheel slippage; Controlling distribution of tractive effort between driving wheels
- B61C15/08—Preventing wheel slippage
- B61C15/10—Preventing wheel slippage by depositing sand or like friction increasing materials
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
- F16D—COUPLINGS FOR TRANSMITTING ROTATION; CLUTCHES; BRAKES
- F16D65/00—Parts or details
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Transportation (AREA)
- Braking Arrangements (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области машиностроения, а более конкретно к способам управления фрикционными системами. Предложен способ управления фрикционными системами путем подачи в зону трения третьего тела. В качестве третьего тела используют материал, обладающий анизотропными свойствами. При этом обеспечивается высокий не менее 0,3 при продольном крипе и низкий не более 0,14 при поперечном крипе коэффициент сцепления. Третье тело может быть в виде металла (Al, Zn, Cu) или его окислов (АlО, ZnO, CuO). В зоне трения происходят процессы создания динамического воздействия на фрикционную систему в виде внешних, собственных колебаний или фрикционных автоколебаний контактирующих микро- и макрошероховатостей. Кроме того, могут происходить процессы подавления собственных колебаний контактирующих микро- и макрошероховатостей, а также изменяется суммарная контактная жесткость при изменении направления относительного скольжения поверхностей трения. Достигается подавление шума. 11 ил.
Description
Изобретение относится к способам управления фрикционными системами.
Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано для устранения негативного влияния узлов трения на эффективность механических систем.
Известен способ управления фрикционными системами путем подачи в зону третьего тела (RU 2375227 С1, 10.12.2009).
Горочный тормозной башмак содержит упор с ручкой и полоз. В верхней части упора размещена емкость для жидкости с возможностью подачи ее через фитиль на поверхность катания колеса. Повышение надежности и долговечности горочных тормозных башмаков и колесных пар при производстве маневровых работ на маневровых горках происходит за счет создания условий для проворачивания колесных пар при торможении.
Заявленное изобретение отличается от аналога признаком ввода в трибоконтакт металла или его окисла, а не жидкости. Используемый материал (металл или его окисел) третьего тела обеспечивает высокие, например, при продольном крипе и низкие при поперечном крипе значения коэффициента сцепления, используя свойства материала в двух состояниях: исходном виде металла или в виде его окислов.
Так же к наиболее распространенным способам достижения технических решений повышения надежности и эффективности механических систем с узлами трения является метод смазывания (лубрикации) поверхностей трения смазочными материалами, обладающими теми или иными заданными функциональными свойствами: совместимость смазочных свойств, консистенция смазочного материала, вязкость, смазочная способность, индекс вязкости. Смазочные материалы бывают следующих видов: газообразный смазочный материал, жидкий смазочный материал, смазочное масло, базовое масло, пластичный смазочный материал и др. К методам смазывания можно отнести: непрерывное смазывание, периодическое, циркуляционное, одноразовое проточное смазывание, ресурсное смазывание и др. согласно ГОСТ 27674-88 по трению и износу «Виды смазочных материалов, способы смазывания».
Данные технические мероприятия не позволяют эффективно управлять процессами во фрикционном контакте с целью получения заданного уровня выходных трибопараметров, а также технико-экономических, экологических показателей всей фрикционной системы.
Коэффициент полезного действия механических систем, а значит и их экономические характеристики определяются интенсивностью процессов внешнего и внутреннего трения. Экологические характеристики механических систем с точки зрения допустимых уровней шума и вибрации так же определяются диссипативными составляющими процессов трения.
В большом разнообразии узлов трения (скольжения, качения, качения со скольжением, сухого жидкостного или граничного трения, открытых и закрытых передач и т.д.) можно выделить группу высокоэффективных узлов с фрикционным сервоэффектом.
В свое время великий Архимед говорил, что сможет перевернуть мир рычажным усилительным звеном с коэффициентом ускорения Kус→∞, если ему дадут точку опоры. Мощные усилительные звенья являются неотъемлемой частью современных машин и механизмов. В настоящее время коэффициент усиления гидравлических, пневматических, механических систем превышает величину Кус≈50-150, и от его значения зависят технико-экономические характеристики, габариты, удобство эксплуатации.
Одним из способов максимального снижения потребляемой мощности на работу систем с повышенным сервоэффектом (эффектом самозаклинивания) является использование состояния фрикционного контакта, основанного на равенстве коэффициента трения f = sinαcosα, где α - угол между плоскостями трения и скольжения, при обеспечении равенства векторов силы трения и скатывающей силы. Таким образом, фрикционная система, находящаяся в состоянии неустойчивого равновесия является аналогом усилительного звена Архимеда, где Kус→∞, управляемое значение Δƒ является его точкой опоры, позволяющей практически реализовать усилительное фрикционное звено, при Kус→∞.
Наиболее близким к заявленному техническому решению по технической сущности и достигаемому техническому результату является способ динамического мониторинга мобильных систем RU 2517946. Изобретение относится к способам испытаний узлов трения механических систем. Сущность: оценка состояния трибосистемы осуществляется по анализу интегральных оценок (функция диссипации, степени диссипации, приведенных к выходу энергетических потерь фрикционной системы, квадрата модуля когерентности), запаса устойчивости по амплитуде и фазе амплитудо-фазочастотных характеристик. На физико-механических моделях натурных систем производится набор базы данных триботехнических, трибоспектральных и выходных характеристик, при этом изменение этих оценок на заданную величину пик-фактора определяет чувствительность систем автоматического управления трибосистемой или систем автоматического регулирования параметрами трибосистемы и служит идентификационным признаком перехода из одного стационарного состояния в другое. Технический результат: возможность краткосрочного либо долгосрочного прогнозирования динамического состояния механической системы и, в частности, фрикционного контакта с возможностью управления его динамическими характеристиками
Описанный способ выбран за прототип изобретения. Недостатки прототипа проявляются в том, что он представляет собой теоретические основы диагностирования динамического состояния механической системы без возможности непосредственного управления фрикционными механическими системами.
Технической задачей настоящего изобретения является управление фрикционными системами с целью повышения эффективности, безопасности, экологичности фрикционных систем и коэффициента полезного действия машин и механизмов. Поставленная задача решается следующим образом, во фрикционном контакте создается динамическое воздействие в виде внешних, собственных колебаний или фрикционных автоколебаний контактирующих микро- и макрошероховатостей или подавления собственных колебаний контактирующих микро- и макрошероховатостей; вводится в контакт третье тело (металл или его окисл); изменяется суммарная контактная жесткость при изменении направления относительного скольжения поверхностей трения.
В настоящее время при управлении различными механизмами и машинами широко используют разнообразные соединительные управляемые муфты. Одним из вариантов комбинированного усилительного звена является муфта-шестерня, реализованная в виде обгонной муфты-включения (фиг. 1).
Отключение муфты-шестерни происходит при подаче на электромагнит 7 резонансного напряжения (U sin(wt) (фиг. 2) при этом 
(фиг. 3а).
При подаче включающего антирезонансного напряжения U=Usin(wt+180°) происходит резкий скачок значения 
за счет подавления динамических процессов протекающих во фрикционном контакте при взаимодействии контактирующих микро и макро шероховатостей (фиг. 4). В результате этого активизируется сила адгезионного взаимодействия микро и макро шероховатостей поверхностей трения промежуточного диска 8 и ведомой полумуфты 3 (фиг. 1). Создается условие гарантированного включения 
(фиг. 5, положение 2) это обеспечивает включение муфты-шестерни (фиг. 1), что происходит за счет отставания промежуточного диска 8 и ведомой полумуфты 4 происходит сжатие пружины 6, что создает момент:
М=R⋅ΔY⋅CΣ,
R - радиус, ΔY - угол деформации пружины, CΣ - суммарная жесткость пружин.
Отключение муфты-шестерни осуществляется при подаче отключающего резонансного напряжения U=Usinwt, при этом происходит падение уровня коэффициента трения , что обеспечивает превышение, т.е. 
отключение муфты-шестерни. Под воздействием момента М происходит поворот диска 8 на угол ΔY, что обеспечивает наличие зазора между диском 8 и ведомой полумуфтой 3.
За счет реализации управления фрикционным контактом, обеспечивающее управляемое изменение 
от 0 до ∞ имеется возможность реализовывать высоко-компактный фрикционный усилитель
В качестве примера использования муфты-шестерни для конкретного механизма рассмотрим схему автоматической коробки перемены передач АКПП (фиг. 6). Данная коробка обладает максимальным уровнем КПД→0,98, исключает разрыв потока мощности при переходе с наименьшей передачи на повышающую. Переключение происходит путем включения следующей передачи при не отключенной предыдущей. После того как следующая муфта-шестерня включена, без разрыва потока мощности происходит отключение предыдущей муфты-шестерни.
Процессы исследования, диагностики, мониторинга и оптимизации фрикционных механических систем, связанны с решением сложных нелинейных дифференциальных систем уравнений. В свою очередь с целью упрощения процесса поиска оптимальных решений исследователи вынуждены проводить линеаризацию математических моделей существенно-нелинейных, взаимосвязанных процессов и явлений, нарушая при этом принцип неприемлемости принципа суперпозиции для нелинейных систем.
Выход из данного противоречия заключается в проведении длительных и дорогостоящих многочисленных натурных испытаний или в применении методов физико-математического моделирования. Данное положение определяется следующими обстоятельствами - выходные фрикционные характеристики сложны и нелинейны, зависят от десятков внутренних и внешних факторов. Динамические процессы, протекающие во фрикционном контакте в квазилинейной механической подсистеме фрикционной механической системы, оказывают существенное взаимное влияние, в результате чего выходные характеристики могут изменяться на порядок и больше, а передаточная функция фрикционного контакта или его аналог в виде коэффициента трения может изменяться от нуля до бесконечности.
В случае предварительного прижатия торцов образцов 1 и 2 (фиг. 7) и при последующем устранении нормальной силы (N=0) образец 2 будет удерживаться на образце 1 силой трения, т.е. 
следовательно:
В случае воздействия на контактирующие поверхности трения внешним динамическим усилением, в результате резонанса динамических процессов, т.е. совпадением несущей частоты (или основной частоты трибоспектра) с частотой внешнего динамического воздействия, значение коэффициента трения стремится к 0 (фиг. 3).
Данное состояние фрикционного контакта названо эффектом Толстого-Пуша и широко используется в различных областях науки и техники. Активные рабочие органы строительных и путевых машин, вибрационное воздействие на рабочие грани металлообрабатывающего оборудования, виброподбивка балласта путевыми машинами. Резкое снижение сил трения при управлении фрикционным контактом, перевод его из процесса реализации фрикционных свойств к антифрикционным без применения смазочных материалов было реализовано академиком В.Н. Чаломеем при вибростыковании космических аппаратов «Союза» и «Аполлона» в 1975 году.
Вышеназванные состояния фрикционного контакта широко известны в технике (т.е. ƒ→0; ƒ→∞) и проявляются в неуправляемом раскручивании гаек, резьбовых соединений, переходе в неуправляемое движение закрепленного тормозными башмаками подвижного состава и т.д.
Возникают случаи заклинивания и разрушения зубчатых передач в режиме масляного голодания (т.е. ƒ→∞ фиг. 3б). При динамическом воздействии usin wнt (фиг. 2, фиг. 3а) происходит самораскручивание резьбовых соединений (т.е. при ƒ→0) при том, что в резьбовых соединениях закладывают условия заклинивания, когда силы трения, на контактируемых гранях витков резьбы гарантированно превышают скатывающие силы.
Таким образом, мы имеем три состояния фрикционной системы.
В случае реализуемого неустойчивого равновесия Nsinα=Ncosα(ƒ±Δƒ) и учитывая наличие колебаний коэффициента трения Δƒ в диапазоне от 0 до ∞ имеется возможность управлять фрикционной системой путем изменения значения Δƒ, переводя систему в режим заклинивания (I) или режим скольжения (III).
0≤α≤arctg(ƒ0+Δƒ).
Примечательно, что полученное условие не содержит величины силы Р. Следовательно, покой сохраняется при любой, даже сколь угодной большой силе Р, если угол α находится в указанных пределах. Тело можно разрушить, но привести в движение невозможно.
Во время включения в работу сцепных фрикционных муфт крутящий момент на ведомом валу возрастает поступательно и пропорционально увеличению силы взаимного прижатия поверхностей трения. Это позволяет соединять валы под нагрузкой и со значительной начальной разницей их угловых скоростей. В процессе включения муфта пробуксовывает, а разгон ведомого вала осуществляется плавно, без ударов. Например, многодисковая фрикционная муфта предназначена для разъединения и плавного соединения входного и выходного валов посредством трения.
Одним из способов максимального снижения потребляемой мощности на работу систем с повышенным сервоэффектом (эффектом самозаклинивания) является равенство коэффициента трения f = sinαcosα, то есть необходимо обеспечить равенство скатывающего усилия Nsinacosa силе трения Nf. Уровень стабильности коэффициента трения f или Δf→0, обеспечиваемый применением пакета п стабилизирующих дисков.
В 1699 году Кулон и Амонтон предложили в качестве передаточной функции фрикционного звена (узла трения) следующую зависимость (фиг. 8):
Данная зависимость не учитывала динамику фрикционного взаимодействия и тем более взаимосвязь ее с динамическими процессами, протекающими в механической подсистеме.
Зависимость (1) не позволяла получить истинное значение 
, колебание его в широком диапазоне (от 0 до ∞), оценить диссипативную составляющую силы трения, прогнозировать такие динамические реакции, как фрикционные автоколебания, а также решить ряд других трибологических задач мониторинга, оптимизации, повышение надежности и эффективности динамически нагруженных механических систем с узлами трения. Уровень развития научной базы трибологии и аппаратурного обеспечения не позволяет решить задачи по определению истинных значений триботехнических параметров, а уровень технического развития 17 века и не требовал их решения.
В настоящее время при управлении различных механизмов широко используют разнообразные соединительные управляемые муфты. Создано большое количество таких систем различного функционального назначения и конструктивного исполнения. Одним из вариантов комбинированного усилительного звена является обгонная муфта, реализованная в виде муфты включения (фиг. 1).
На входном шлицевом валу 10 установлена ведущая 4 ведомая 3 полумуфты. Ведущей полумуфте установлена на подшипнике 9. Для включения/отключения муфты используется электромагнит 7. Ведущая 4 ведомая 3 полумуфты соединены через металлические шарики 5 и возвратные пружины 6. В исходном состоянии муфта отключен, электромагнит 7 - обесточен. При включении электромагнита 7 промежуточный диск 8 проворачивается относительно ведущей полумуфты 4, что приводит к осевому смещению диска 8 и ведущей полумуфты 4, и прижатию их боковых поверхностей к внутренним боковым поверхностям ведомой полумуфты 3 с силой N.
Усилие прижатия N создает силу трения 
, приводящую в движение диски. При этом силы (момент сил) пружины 6 
скатывающие усилие 
и трения 
, то есть:
Уравнение (2) соответствует состоянию «муфта включена». Одним из условий максимального снижения потребляемой мощности на работу систем с повышенным сервоэффектом (эффектом самозаклинивания) является равенство коэффициента трения, ƒ=sinαcosα, то есть необходимо обеспечить равенство скатывающего усилия N=sinαcosα силе трения Nƒ. Первое условие обеспечивается конструктивно, вторым условием является высокий уровень стабильности коэффициента трения ƒ или Δƒ→∞.
Для оперативности управления системой в отключенном состоянии в конструкции муфты включения используют результаты исследований в области взаимосвязи динамических процессов, происходящих в механической системе и фрикционном контакте. В основе этих исследований лежит упруго-диссипативная природа формирования и разрыва деформационных и адгезионных связей фрикционно-механической системы.
Осуществление изобретения достигается следующим образом, например, моделью состояния фрикционной подсистемы муфты в области самоторможения муфты-тормоза может служить схема взаимодействия двух цилиндров (фиг. 9) Если цилиндр (б) находится в состоянии покоя относительно цилиндра (а) за счет адгезионных связей во фрикционном контакте, то N=0, fnmin→∞
В результате на основе использования теоретических основ трибологии создана высокоэффективная система муфты включения, технический результат которой позволяет изменять в диапазоне от 0 до ∞ коэффициент трения для одних и тех же пар трения.
Как известно все узлы трения подразделяются на две большие группы: с высоким уровнем коэффициента трения 
- фрикционные, с низким уровнем - антифрикционные. К фрикционным узлам трения относят: тормоза, гасители колебаний, колесо автомобиля - дорога, колесо локомотива - путь, замедлители вагонов и т.д. К антифрикционным узлам относятся: подшипники качения и скольжения, шлицевые соединения, опора скольжения контакт гребней колес с рельсами и т.д. Создание условий реализации анизотропных состояний (фрикционных или антифрикционных свойств) путем управления процессами трения во фрикционном контакте является весьма эффективным методом оптимизационных триботехнических и трибологических задач, решаемых нашим изобретением. В качестве методов управления фрикционным контактом рассмотрим наиболее распространенные и наиболее эффективные. В процессе реализации тягового усилия локомотива при трении качения со скольжением колес локомотива по рельсам необходимо создать максимум сил продольного крипа, т.е. предельного уровня нарастания сил упругого деформирования контактирующих микро- и макро-шероховатостей поверхностей колеса локомотива и рельса. В свою очередь для сокращения (до 5-10%) потерь тяговой мощности возникающей при поперечном движении колес, относительно рельсов, необходимо максимально снизить уровень сил поперечного крипа за счет снижения коэффициента трения.
Под управлением фрикционным контактом понимается управляемая зависимость выходных трибохарактеристик от внешних или внутренних факторов.
Одним из методов управления фрикционными системами путем подавления фрикционных автоколебаний (шума) является метод активации диссипативных свойств контакта (фиг. 4). Система работает таким образом, что специальный композитный материал для сухого торможения (DMB) наносят точно на вагонные колеса или на рельсы, на которых происходит торможение, прежде чем между ними возникнет фрикционный контакт. За счет этого устраняют колебания в диапазоне резонансных частот.
Поскольку при трении колес о рельсы высвобождается большое количество энергии в форме тепла, вспомогательный компонент вышеупомянутого специального материала испаряется, тогда как рабочий компонент (чаще всего алюминий А1) создает истирающуюся тормозную пленку, которая устраняет скрежет в самом его источнике. В устройстве -прототипе рабочий орган для шумоподавления дистанционно наносит модифицирующий смазочный материал на боковые поверхности колес грузовых вагонов с помощью форсунки. Техническим результатом является обеспечение усилий прижатия брикетов к боковым поверхностям колес грузовых вагонов с целью нанесения одинакового количества модифицирующего материала на боковые поверхности колес вагонов. Технический результат достигается тем, что в устройстве при роспуске товарных вагонов на механизированных сортировочных горках изменяется принцип действия рабочего органа для шумоподавления. Рабочий орган в виде балки с фрикционными накладками, содержащей смазочное устройство с рабочим органом для нанесения смазочного материала на боковые поверхности грузовых вагонов, рабочий орган выполнен в виде балок, на которых закреплены смазочные брикеты фрикционного модификатора трения, при этом рабочий орган приводится в движение винтовым приводом с правой и левой резьбой.
В настоящее время наиболее распространенной (практически единственной) технологией повышения силы тяги является способ подачи кварцевого песка в контакт.
Данная технология имеет ряд существенных недостатков: затраты тяговой энергии (2-3%) на процесс разрушения частиц кварцевого песка, запесочивание балластной призмы и сокращение в 1,5÷2 раза межремонтных сроков, возникновение интенсивных автоколебаний в контакте колеса с рельсом при наличии в нем абразива (SiO2), интенсификация изнашивания поверхностей кругов катания (проката) и головки рельса, ограничение до 1,5 тыс. км плечей оборота заправленных песком локомотивов и ряд других. При поперечном скольжении колеса относительно рельса в кривых участках или при синусоидальном движении в прямолинейных участках пути для снижения сил поперечного крипа, а соответственно потерь тяговой энергии и износа колес и рельсов в контакт колеса с рельсом подается смазочный антифрикционный материал. Данное решение не является оптимальным т.к. его невозможно реализовать, например, в криволинейных участках пути с уклоном.
Кроме этого создаются условия для снижения тягового усилия и увеличения тормозного пути и износа кругов катания (проката) колес за счет наличия в контакте абразива (SiO2). Нанесение на тяговую поверхность рельса антифрикционного смазочного материала увеличивает вероятность появления двухсторонних «ползунов» (термоповреждений) на колесах вагонов.
В настоящие время ученными РГУПСа и специалистами ОАО «РЖД» разработан инновационный и принципиально новый способ управления фрикционными системами путем воздействия на фрикционный контакт введением в него третьего тела. В качестве третьего тела, вносимого в контакт колеса локомотива с рельсом используется материал, обладающий анизотропными свойствами, а именно обеспечивающий - высокий (не менее 0,3-0,35) при продольном крипе и низкий (не более 0,11-0,14) при поперечном крипе коэффициент сцепления). Третье тело, вводимое во фрикционной контакт, например, металл (Al, Zn, Cu) и его оксид (Аl2O3, ZnO, CuO), что обеспечивает необходимый технический результат.
Данное решение позволяет существенно повысить эффективность всей системы «путь - подвижной состав». Осуществление изобретения достигается следующим образом. Материал третьего тела, наносимый методом металоплакирования на тяговую поверхность колеса (или рельса), обладает высоким уровнем коэффициента трения (ƒтр) в режиме предварительного смещения и низким коэффициентом трения (ƒтр) при 100% скольжении колеса относительно рельса. Данные материалы являются модификаторами поверхности трения и обладают различными трибологическими свойствами при определенном дозировании. Материалы модификаторы поверхности трения в виде пленки нанопокрытия (50-80 нм.) мгновенно переходят в пленки окислов данных металлов, обладающих высоким уровнем коэффициента трения (до 0,5 и более). При нанесении модификаторов поверхностей трения в виде пленки с толщиной от 0,10-0,40 мкм на тяговой поверхности колеса или рельса реализуют относительно низкий уровень коэффициента трения (ƒтр) (0,12-0,14).
Во фрикционных узлах трения, особенно в системах с повышенным сервоэффектом, перспективным и эффективным методом создания и реализации способа управления фрикционными системами путем воздействия на фрикционный контакт является метод варьирования суммарной жесткости CΣ (или податливости еΣ) при изменении направления относительного скольжения поверхностей трения фрикционного контакта (фиг. 10)
eΣ=eк+eΔX или 
Изменение свойств фрикционного контакта реализуется путем изменения суммарной контактной жесткости, представлено на фиг. 11.
Как известно, при изменении направления скольжения пар трения происходит скачок силы трения, связанный с увеличением силы нормального давления N (фиг. 3). Это связано с переориентацией взаимно-деформируемых неровностей. Максимум силы соответствует переходу микро- и макронеровностей «нулевого» состояния (II).
На фиг. 4 приведена схема устройства для торможения подвижного состава, показан принцип повышения эффективности фрикционных систем при реализации изменения свойств фрикционного контакта путем вариации контактной суммарной жесткости. То есть контактная жесткость при движении поверхности колеса относительно поверхности тормозной шины незначительна. Соответственно и сила трения 
незначительна и меньше 
. При движении поверхности колеса относительно тормозной шины суммарная контактная жесткость резко увеличивается за счет жесткости связи СT при ее растяжении (т.е. 
). При этом 
, а необходимые затраты на прижатие тормозной шины к поверхности колеса стремятся к нулю.
Одним из наиболее эффективных методов смазывания поверхностей открытых узлов трения является метод фрикционного натирания. Наиболее эффективными смазочными материалами является твердые смазочные материалы. В качестве примера открытых узлов трения можно привести открытые зубчатые передачи и опоры скольжения, рычажные передачи и т.д.
Так, например, для удержания железнодорожного состава на рельсах у колеса кроме опорной поверхности круга катания, воспринимающую осевую нагрузку и взаимодействующей с поверхностью головки рельса существует гребень. При движении подвижного состава в контакте гребень с боковой поверхностью головки рельса возникает так называемое «паразитное» трение. Взаимодействие гребня колеса с головкой рельса приводит к интенсивному изнашиванию гребня колеса к возникновению дефекта «тонкий гребень», а так же к интенсивному износу головки рельса при этом теряется до 10% тяговой энергии.
Решение данной проблемы на сети дорог ОАО «РЖД» внедряется технология гребнерельсосмазывания (ГРС), которая заключается в нанесении методом фрикционного натирания твердого смазочного материала на гребень колеса и переносом его на боковую поверхность головки рельса. В данной схеме реализуется изменение свойств фрикционного контакта, заключающееся в изменении интенсивности изнашивания смазочного материала при трении о поверхность, а соответственно и объема подаваемого материала (фиг. 12) в зависимости от наличия смазочного материала или его отсутствия. При наличии смазочного материала на контакте объем подаваемого смазочного материала равняется 0, так как
. В случае масляного голодания на контакте реализуется граничное трение или сухое трение, при этом создается условие, когда 
и подается номинальный объем смазочного материала.
Осуществление изобретения достигается следующим образом, например, в устройстве для нанесения смазочного материала на боковую поверхность гребня колеса реализован способ автоматического дозирования смазочного материала, основанного на изменении фрикционных характеристик контакта, находящегося в состоянии 
. Изменение фрикционных характеристик контакта осуществляется за счет подачи смазочного материала в режиме масляного голодания контакта сухой поверхности гребня колеса и боковой поверхности головки рельса, а, соответственно, и контакта сухой поверхности гребня колеса со смазочным стержнем. В этом случае коэффициент трения этих поверхностей f1 обеспечивает существования неравенства 
. Происходит движение смазочного стержня к поверхности гребня и ее смазывание с обеспечением заданного расхода смазочного материала до момента покрытия смазочным материалом поверхности гребня колеса и появления ƒ2 - коэффициента трения смазочного материала о смазочную поверхность гребня колеса, при этом 
и подача смазочного материала Qр=0. Таким образом, используя изменение свойств фрикционного контакта при наличии смазочного материала или его отсутствии возможно изменять расход смазочного материала от Qр (номинального) до 0, т.е. достигается технический результат, который характеризуется изменением расхода смазочного материала от Qp (номинального) до 0 (нуля) в зависимости от наличия смазочного материала во фрикционном контакте или его отсутствия.
Claims (1)
- Способ управления фрикционными системами путем подачи в зону трения третьего тела, отличающийся тем, что в качестве третьего тела, вносимого, например, в контакт колеса локомотива с рельсом, используют материал, обладающий анизотропными свойствами, а именно обеспечивающий высокий не менее 0,3 при продольном крипе и низкий не более 0,14 при поперечном крипе коэффициент сцепления, например, подавая третье тело в виде металла (Al, Zn, Cu) или его окислов (Аl2О3, ZnO, CuO), при этом в зоне трения происходят процессы создания динамического воздействия на фрикционную систему в виде внешних, собственных колебаний или фрикционных автоколебаний контактирующих микро- и макрошероховатостей или подавления собственных колебаний контактирующих микро- и макрошероховатостей, а также изменяется суммарная контактная жесткость при изменении направления относительного скольжения поверхностей трения.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016128401A RU2674899C1 (ru) | 2016-07-12 | 2016-07-12 | Способ повышения эффективности фрикционных систем |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016128401A RU2674899C1 (ru) | 2016-07-12 | 2016-07-12 | Способ повышения эффективности фрикционных систем |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2674899C1 true RU2674899C1 (ru) | 2018-12-13 |
Family
ID=64753413
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2016128401A RU2674899C1 (ru) | 2016-07-12 | 2016-07-12 | Способ повышения эффективности фрикционных систем |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2674899C1 (ru) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20200361499A1 (en) * | 2018-03-05 | 2020-11-19 | Nowe Gmbh | Device and method for dispensing a friction-coefficient-optimizing mixture |
Citations (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU666189A1 (ru) * | 1977-05-10 | 1979-06-05 | Институт Механики Металлополимерных Систем Ан Белорусской Сср | Композици дл покрытий на основе термопластичного полимера |
| SU707314A1 (ru) * | 1978-10-03 | 1982-04-30 | Предприятие П/Я М-5671 | Антифрикционна паста |
| JPS5780907A (en) * | 1980-11-05 | 1982-05-20 | Japanese National Railways<Jnr> | Adhesion increasing slider for wheel tread |
| SU943053A1 (ru) * | 1980-11-24 | 1982-07-15 | Московский Ордена Ленина И Ордена Трудового Красного Знамени Институт Инженеров Железнодорожного Транспорта | Способ повышени сцеплени колес железнодорожного транспортного средства с рельсами |
| SU1143765A1 (ru) * | 1983-10-14 | 1985-03-07 | Гомельский Государственный Университет | Антифрикционна смазочна композици дл узлов трени |
| SU1361171A1 (ru) * | 1986-07-23 | 1987-12-23 | Особое конструкторско-технологическое бюро "Орион" при Новочеркасском политехническом институте им.Серго Орджоникидзе | Металлолакирующа смазка |
| RU2163313C2 (ru) * | 1999-05-12 | 2001-02-20 | Хамин Иван Никифорович | Порошковая сцепная муфта |
| UA7966U (en) * | 2004-12-23 | 2005-07-15 | Volodymyr Dal East Ukrainian N | Device for improvement of coupling of wheel with rail |
| JP2006161975A (ja) * | 2004-12-08 | 2006-06-22 | Toyota Motor Corp | 摺動部材 |
| RU2375227C1 (ru) * | 2008-06-23 | 2009-12-10 | Федор Серафимович Темников | Горочный тормозной башмак |
| RU2428597C1 (ru) * | 2010-04-09 | 2011-09-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Курганский государственный университет" | Способ формирования безызносных пар трения и устройство для его осуществления |
| WO2015059011A2 (de) * | 2013-10-25 | 2015-04-30 | Ford Global Technologies, Llc | Verfahren zur herstellung einer bremsscheibe sowie bremsscheibe |
-
2016
- 2016-07-12 RU RU2016128401A patent/RU2674899C1/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU666189A1 (ru) * | 1977-05-10 | 1979-06-05 | Институт Механики Металлополимерных Систем Ан Белорусской Сср | Композици дл покрытий на основе термопластичного полимера |
| SU707314A1 (ru) * | 1978-10-03 | 1982-04-30 | Предприятие П/Я М-5671 | Антифрикционна паста |
| JPS5780907A (en) * | 1980-11-05 | 1982-05-20 | Japanese National Railways<Jnr> | Adhesion increasing slider for wheel tread |
| SU943053A1 (ru) * | 1980-11-24 | 1982-07-15 | Московский Ордена Ленина И Ордена Трудового Красного Знамени Институт Инженеров Железнодорожного Транспорта | Способ повышени сцеплени колес железнодорожного транспортного средства с рельсами |
| SU1143765A1 (ru) * | 1983-10-14 | 1985-03-07 | Гомельский Государственный Университет | Антифрикционна смазочна композици дл узлов трени |
| SU1361171A1 (ru) * | 1986-07-23 | 1987-12-23 | Особое конструкторско-технологическое бюро "Орион" при Новочеркасском политехническом институте им.Серго Орджоникидзе | Металлолакирующа смазка |
| RU2163313C2 (ru) * | 1999-05-12 | 2001-02-20 | Хамин Иван Никифорович | Порошковая сцепная муфта |
| JP2006161975A (ja) * | 2004-12-08 | 2006-06-22 | Toyota Motor Corp | 摺動部材 |
| UA7966U (en) * | 2004-12-23 | 2005-07-15 | Volodymyr Dal East Ukrainian N | Device for improvement of coupling of wheel with rail |
| RU2375227C1 (ru) * | 2008-06-23 | 2009-12-10 | Федор Серафимович Темников | Горочный тормозной башмак |
| RU2428597C1 (ru) * | 2010-04-09 | 2011-09-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Курганский государственный университет" | Способ формирования безызносных пар трения и устройство для его осуществления |
| WO2015059011A2 (de) * | 2013-10-25 | 2015-04-30 | Ford Global Technologies, Llc | Verfahren zur herstellung einer bremsscheibe sowie bremsscheibe |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20200361499A1 (en) * | 2018-03-05 | 2020-11-19 | Nowe Gmbh | Device and method for dispensing a friction-coefficient-optimizing mixture |
| US11926350B2 (en) * | 2018-03-05 | 2024-03-12 | Nowe Gmbh | Device and method for dispensing a friction-coefficient-optimizing mixture |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Stock et al. | Material concepts for top of rail friction management–Classification, characterisation and application | |
| Eadie et al. | The role of high positive friction (HPF) modifier in the control of short pitch corrugations and related phenomena | |
| Soleimani et al. | Tribological aspects of wheel–rail contact: a review of wear mechanisms and effective factors on rolling contact fatigue | |
| Eadie et al. | Field studies of the effect of friction modifiers on short pitch corrugation generation in curves | |
| Kostrzewski et al. | Numerical dynamics study of a rail vehicle with differential gears | |
| Shapovalov et al. | Metal plating of friction surfaces of the “wheel–rail” pair | |
| RU2674899C1 (ru) | Способ повышения эффективности фрикционных систем | |
| Mohammadi et al. | Effects of the change in auto coupler parameters on in-train longitudinal forces during brake application | |
| Gorbunov et al. | The multifunctional energy efficient method of cohesion control in the" wheel-braking pad-rail" system | |
| Xiao et al. | The traction behaviour of high-speed train under low adhesion condition | |
| Craciun et al. | Modeling the buffers hysteretic behavior for evaluation of longitudinal dynamic in-train forces | |
| Burgelman et al. | Fast estimation of the derailment risk of a braking train in curves and turnouts | |
| Maiba et al. | Special purpose composite materials for wheel-rail contact | |
| RU2309071C2 (ru) | Устройство для перевода раздвижных колесных пар с одной колеи на другую | |
| Galas et al. | Twin-disc experimental device for study of adhesion in wheel-rail contact | |
| Aboubakr et al. | Numerical study on the delay effect of air brake mass flow on train coupler forces | |
| Belikov et al. | LUBRICANTS FOR RAIL TRANSPORT LIQUID (PLASTIC) FOR FRICTION PAIR" WHEEL‒RAIL" | |
| Buryakovskiy et al. | Mathematical Modeling of Non-stationary Processes During Train Movement | |
| Pshinko et al. | The influence of the" train-track" system parameters on the maximum longitudinal forces' level | |
| Goryacheva et al. | Assessing operating conditions and required properties of friction modifiers for running surface of rail-wheel system | |
| Khan et al. | Optimization of wheel-rail interface friction using top-of-rail friction modifiers: State of the art | |
| Kossov et al. | The technology of rail lubrication by the hauling locomotive in train formation | |
| Melnik et al. | DYNAMIC PROPERTIES AND WEAR ANALYSIS OF A RAIL VEHICLE WITH WHEELS'SELF-LUBRICATING COATINGS. | |
| Santos et al. | Evaluation of subsurface contact stresses in railroad wheels using an elastic half-space model | |
| Tumanishvili et al. | Perfection of Technical Characteristics of the Railway Transport System Europe-Caucasus-Asia (TRACECA) |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20181210 |